Entalpi dan Kalorimetri: Mengukur Haba Sesuatu Tindak Balas

Melukis sempadan antara sistem dan persekitaran

Setiap pengiraan tenaga bermula dengan memilih sistem, biasanya bahan kimia yang bertindak balas. Segala yang lain ialah persekitaran, yang dalam kalorimeter bermaksud terutamanya air atau larutan dan bekasnya. Tenaga boleh merentasi sempadan sebagai haba, q, atau sebagai kerja, w, dan perubahan tenaga dalam sistem ialah ΔU = q + w.

Entalpi, H = U + PV, ditakrifkan supaya perubahannya sama dengan haba yang dipertukarkan pada tekanan tetap apabila satu-satunya kerja ialah kerja pengembangan: ΔH = q_p. Oleh sebab kebanyakan kimia di meja makmal berlaku pada tekanan atmosfera yang kira-kira tetap, ahli kimia menjadualkan entalpi dan bukannya tenaga dalam.

Konvensyen tanda untuk haba dan entalpi

Tanda sentiasa ditulis dari sudut pandangan sistem. Haba yang mengalir masuk ke dalam sistem adalah positif; haba yang mengalir keluar adalah negatif. Tindak balas eksotermik membebaskan haba kepada persekitaran, jadi ΔH-nya negatif dan persekitaran menjadi hangat. Tindak balas endotermik menyerap haba, jadi ΔH-nya positif dan persekitaran menjadi sejuk.

Dalam kalorimeter anda mengukur persekitaran, bukan tindak balas. Jika air menjadi hangat, air memperoleh haba, dan tindak balas kehilangan haba sebanyak itu. Ini memberikan hubungan pusat kalorimetri: q_reaction = −q_surroundings.

Muatan haba dan persamaan q = mcΔT

Haba yang diperlukan untuk mengubah suhu sesuatu bahan ialah q = mcΔT, dengan m ialah jisim, c ialah haba tentu (haba yang diperlukan untuk menghangatkan satu gram sebanyak satu darjah), dan ΔT = T_final − T_initial. Perubahan satu darjah Celsius sama dengan perubahan satu kelvin, jadi ΔT mempunyai nilai yang sama pada kedua-dua skala. Haba tentu yang digunakan di bawah datang daripada Jadual 5.1 OpenStax Chemistry 2e, diukur hampir 25 °C; bagi air cecair, c = 4.184 J/(g·°C).

Contoh penyelesaian 1. Berapakah haba yang menaikkan suhu blok silikon 310.0 g daripada 24.5 °C kepada 160.0 °C? Haba tentu silikon ialah 0.712 J/(g·°C). ΔT = 160.0 − 24.5 = 135.5 °C. q = (310.0 g)(0.712 J/(g·°C))(135.5 °C) = 2.99 × 10⁴ J, atau 29.9 kJ. Haba tentu mempunyai tiga angka bererti, jadi jawapannya juga begitu.

Contoh penyelesaian 2. Blok plumbum 450.0 g pada 88.0 °C diletakkan dalam 60.0 g air pada 20.5 °C dalam cawan busa. Haba tentu plumbum ialah 0.130 J/(g·°C), dan haba tentu air ialah nilai yang diberikan di atas. Haba yang hilang oleh plumbum sama dengan haba yang diperoleh air, jadi q_lead + q_water = 0: (58.5 J/°C)(T_f − 88.0) + (251.0 J/°C)(T_f − 20.5) = 0, dengan setiap pekali ialah jisim kali haba tentu. Menyelesaikan, T_f = (58.5 × 88.0 + 251.0 × 20.5)/(58.5 + 251.0) = 33.3 °C. Semakan: air memperoleh kira-kira 251.0 × 12.8 ≈ 3.2 kJ, dan plumbum kehilangan kira-kira 58.5 × 54.7 ≈ 3.2 kJ. Suhu air berubah jauh lebih sedikit daripada suhu plumbum kerana muatan habanya lebih daripada empat kali ganda lebih besar.

Kalorimetri cawan kopi pada tekanan tetap

Kalorimeter cawan kopi ialah cawan bertebat yang terbuka kepada udara, jadi proses berlaku pada tekanan tetap dan haba yang diukur terus memberikan ΔH. Bagi larutan akueus cair, andaian lazim ialah larutan mempunyai ketumpatan dan haba tentu air dan cawan menyerap haba yang boleh diabaikan.

Contoh penyelesaian 3. 60.0 mL asid nitrik 0.800 mol/L pada 21.42 °C dicampurkan dengan 60.0 mL kalium hidroksida 0.800 mol/L pada suhu yang sama. Campuran mencapai 26.75 °C. Cari ΔH bagi setiap mol air yang terbentuk. Jisim larutan: 120.0 mL × 1.00 g/mL = 120. g. ΔT = 26.75 − 21.42 = 5.33 °C. q_solution = (120. g)(4.184 J/(g·°C))(5.33 °C) = 2.68 × 10³ J. Jadi q_reaction = −2.68 × 10³ J.

Mol air yang terbentuk: setiap larutan membekalkan 0.0600 L × 0.800 mol/L = 0.0480 mol, dan tindak balas H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l) ialah 1:1, jadi 0.0480 mol air terbentuk. ΔH = −2.68 kJ / 0.0480 mol = −55.8 kJ/mol. Sebagai semakan, entalpi pembentukan piawai daripada Lampiran G OpenStax memberikan −285.83 − (−230.0) = −55.8 kJ/mol bagi tindak balas bersih yang sama, dengan mengambil ΔH°f bagi H⁺(aq) sebagai sifar mengikut konvensyen.

Kalorimetri bom dan jurang antara ΔU dan ΔH

Pembakaran diukur dalam kalorimeter bom, bekas keluli tertutup dalam rendaman air. Oleh sebab isi padu tetap, tiada kerja pengembangan dilakukan dan haba yang diukur ialah ΔU, bukan ΔH. Seluruh radas ditentukur sebagai satu unit, memberikan pemalar kalorimeter C_cal dalam kJ/°C, jadi q = C_cal × ΔT tanpa jisim atau haba tentu yang berasingan.

Contoh penyelesaian 4. Membakar 0.5000 g benzena cecair, C₆H₆, dalam kalorimeter dengan C_cal = 10.25 kJ/°C menaikkan suhu sebanyak 2.038 °C. Dengan berat atom piawai IUPAC yang dibundarkan kepada dua tempat perpuluhan (C 12.01, H 1.01), M = 78.12 g/mol, jadi n = 0.5000 g / 78.12 g/mol = 0.006400 mol. q_cal = (10.25 kJ/°C)(2.038 °C) = 20.89 kJ, jadi ΔU = −20.89 kJ / 0.006400 mol = −3264 kJ/mol, dengan empat angka bererti kerana setiap nilai yang diukur mempunyai empat.

Untuk menukar kepada entalpi, gunakan ΔH = ΔU + Δn_gas RT. Dalam C₆H₆(l) + 15/2 O₂(g) → 6 CO₂(g) + 3 H₂O(l), mol gas jatuh daripada 7.5 kepada 6, jadi Δn_gas = −1.5 dan pembetulannya ialah (−1.5)(8.314 J/(mol·K))(298.15 K) = −3.72 kJ/mol. ΔH = −3264 − 3.72 = −3268 kJ/mol, konsisten dengan −3267.7 kJ/mol yang diperoleh daripada entalpi pembentukan Lampiran G. Pembetulan membesar apabila tindak balas menghasilkan atau menggunakan banyak mol gas.

Membaca dan menskalakan persamaan termokimia

Persamaan termokimia melampirkan ΔH kepada tindak balas tepat seperti yang ditulis. Gandakan pekali dan ΔH berganda; terbalikkan tindak balas dan tandanya bertukar. Keadaan fizikal penting: membentuk air cecair membebaskan lebih banyak haba daripada membentuk wap air, kerana pemeluwapan itu sendiri eksotermik.

Untuk mencari haba bagi kuantiti bahan tertentu, tukar kepada mol dan gunakan ΔH bagi setiap mol tindak balas sebagai faktor penukaran. Membakar 12.5 g benzena, dengan ΔH = −3267.7 kJ bagi setiap mol benzena, membebaskan (12.5 g / 78.12 g/mol) × 3267.7 kJ/mol = 523 kJ. Tulis sebagai q = −523 kJ bagi tindak balas, atau sebagai 523 kJ haba dibebaskan.

Kesilapan kalorimetri yang menyongsangkan tanda atau menghilangkan haba

Aritmetik kalorimetri ringkas, jadi kebanyakan kesilapan bersifat konsep.

Semakan akhir yang boleh dipercayai bersifat fizikal: jika air menjadi hangat, tindak balas mesti mempunyai ΔH negatif.

• Tanda tolak tertinggal: suhu persekitaran naik, jadi q_reaction negatif. Melaporkan +55.8 kJ/mol bagi peneutralan yang menghangatkan air ialah kesilapan tanda.
• Jisim salah: dalam kalorimetri larutan, gunakan jisim seluruh larutan, bukan zat terlarut sahaja atau salah satu daripada dua isi padu yang dicampurkan.
• Setiap gram berbanding setiap mol: bahagi dengan mol spesies yang dinyatakan untuk mendapatkan kJ/mol, dan nyatakan spesies yang mana.
• Mencampuradukkan joule dan kilojoule: q daripada mcΔT dalam joule; tukar sebelum membahagi ke dalam jawapan kJ/mol.
• Menganggap data bom sebagai ΔH: bom tertutup memberikan ΔU; gunakan pembetulan Δn_gas RT apabila ΔH diperlukan.